Is på ett flygplans ytor kan vara en fara. Det ökar luftmotståndet och bränsleförbrukningen, stör aerodynamiska flöden, och minskar lyftkraften – vilket försämrar flygplanets förmåga att flyga säkert. Forskare vid Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS, Airbus och TU Dresden har utvecklat en laserprocess som fyller två behov med en handling. Å ena sidan, ackumulerad is faller av av sig själv och å andra sidan tar det mindre värme för att avisa ytor. Direkt laserinterferensmönster tillåter ytor att struktureras på ett sätt som effektivt stöter bort is.

Isbildning utgör en säkerhetsrisk för flygplan. Ett tunt lager av frost som lägger sig på vingarna eller andra neuralgiska punkter som svansen kan påverka flygplanets aerodynamik negativt. Lyften kan minska och motståndet öka. Is som samlas på sonder och sensorer kan äventyra lufthastighetsmätningar som är avgörande för säkerheten under flygning. Det är därför snö och is måste rensas från flygplanen innan de lyfter. På marken, denna uppgift faller på speciella fordon som sprutar kemiska medel på alla känsliga ytor. Dessa frostskyddsmedel går också till att förhindra is från att bildas. Dock, vätskor av denna typ är skadliga för miljön och dyra. Dessutom, en betydande mängd – 400 till 600 liter – behövs för att avisning av ett plan. Luftburna flygplan måste också skyddas mot denna frostfara. I de flesta fallen, isskyddssystem som värmeelement underlättas ombord för att göra jobbet. Den stora nackdelen med dessa värmare är att de ökar bränsleförbrukningen.

Ekologiskt hållbart

Med hjälp av en teknik som kallas Direct Laser Interference Patterning (DLIP), ett forskarlag vid Fraunhofer IWS samarbetade nära med projektpartnerna Airbus och TU Dresden för att utveckla en process som möjliggör komplexa, slingrande ytstrukturer som ska skapas på mikron- och submikronskalan för att minska isansamlingen och påskynda avisningen. (Mer om DLIP-tekniken i rutan nedan). Det som skiljer denna process åt är att forskarna kombinerade DLIP med ultrakorta pulslasrar för att skapa flera nivåer, 3-D mikrostrukturer på vingprofiler i ett enda steg.

Som ett resultat, en del av isen tappar helt enkelt sitt grepp, beroende på förhållandena under vilka den frös, och lossnar spontant efter att ha nått en viss tjocklek. Också, teknisk avisning kräver 20 procent mindre värmeenergi. Andra fördelar med den nya processen är att den potentiellt minskar den erforderliga mängden miljöskadliga avisningsmedel och den tid passagerarna spenderar i väntan på att planet ska avisning. Detsamma gäller kraft och bränsleförbrukning under flygning. Det kan till och med minska flygplanets vikt om mindre värmeenheter installeras. Denna kombination av dessa två effekter har ännu inte uppnåtts med konventionell teknik.

Vindtunneltest med Airbus

Denna DLIP-process utvecklades i en gemensam ansträngning mellan Fraunhofer IWS och TU Dresden för att hitta den optimerade DLIP-ytstrukturen. Till sist, IWS-experterna utvecklade mönstringsprocessen för att överföra den optimerade strukturen till den slutliga demonstratorn:en komplex tredimensionell NACA-flygplan som fungerade som ett miniatyriserat men realistiskt vinghänge. NACA-flygplanet testades sedan av AIRBUS-experter i vindtunneln. Prestandatesterna utfördes med en strukturerad NACA-bäryta och en ostrukturerad NACA-bäryta som tjänade som referens under realistiska förhållanden vid vindhastigheter från 65 till 120 m/s, med lufttemperaturer under minus tio grader Celsius och vid olika luftfuktighetsnivåer.

Partnerna från Airbus kunde visa att istillväxt på den funktionaliserade ytan är självbegränsande. Faktiskt, isen faller av efter en viss tid utan att ytterligare ytuppvärmning krävs. Ytterligare experiment visade också att det tog 70 sekunder för isen på en ostrukturerad bäryta att smälta vid 60 watt tillförd värme. Isen på den strukturerade bärytan drog sig tillbaka helt efter bara fem sekunder vid samma mängd tillförd värme. DLIP-tekniken påskyndade processen med mer än 90 procent. Det tog 75 watt, eller 25 procent mer värmeeffekt jämfört med DLIP-ytan, för att ta bort isen på den ostrukturerade demonstratorn. "I detta underbara samarbete med Airbus, vi demonstrerade för första gången och på ett realistiskt sätt den stora anti-isningspotential som kan utnyttjas med storskalig laserytmönstring. Med vår DLIP-strategi, vi realiserade biomimetiska ytstrukturer på en komplex komponent som NACA-flygplanet, och visade sina distinkta fördelar gentemot andra laserprocesser", säger Dr Tim Kunze, Team Leader Surface Functionalization på Fraunhofer IWS. Hans kollega Sabri Alamri tillägger, "Appliceringen av mikro- och nanostrukturer på metall förhindrar vattendroppar från att fästa. Inspirerad från naturen, detta är allmänt känt som lotuseffekten. Med vår nya DLIP-process, vi kan skapa en fragmenterad yta för att avsevärt minska antalet vidhäftningspunkter för is. Vi kommer snart att publicera en artikel om resultaten." Projektpartner Elmar Bonaccurso, Forskningsingenjör för ytteknologi / avancerade material på Airbus, lägger till, "Isbildning är särskilt farlig vid landning. Vatten på ytan fryser inom millisekunder när flygplanet flyger genom molnen vid minusgrader. Detta kan störa funktionerna hos kontrollelement som landningsklaffar och lameller, vilket försämrar aerodynamiken. I dag, vi använder varm luft från motorerna för att värma vingytor. Den vattenavvisande strukturen, som vi utvecklade tillsammans med vår partner Fraunhofer IWS i EU-projektet Laser4Fun, är ett försök att ersätta konventionell teknik med miljövänlig, mer kostnadseffektiva alternativ." Partnernas nästa steg blir att optimera metoden och anpassa den till olika luftzoner. De kommer att ta hänsyn till resultaten från verkliga flygtester som för närvarande pågår med ett A350-flygplan vars ytor har varit behandlas med DLIP.

En nyckelteknologi

Forskargruppen har etablerat en nyckelteknologi genom att använda korta och ultrakorta pulslasrar för direkt laserinterferensmönster. Det kan tjäna många applikationer, till exempel, att strukturera funktionella ytor på vindkraftverk eller andra komponenter som kan isa i kalla områden. Denna teknik kan också tillämpas på väldigt olika områden som produktskydd, biokompatibla implantat och förbättrade kontakter för elektriska kontakter. "Vi kan tillämpa funktionella mikrostrukturer över stora ytor och vid höga processhastigheter, därigenom uppnå fördelar för ett antal tillämpningar som, tills nu, hade varit otänkbart, säger Tim Kunze.